納米技術(shù)在水性色漿中的應(yīng)用評(píng)述

1、納米技術(shù)在水性色漿中的應(yīng)用評(píng)述納米技術(shù)在水性色漿中的應(yīng)用評(píng)述伍金平，杜長森，呂仕銘，吳 鵬*（昆山世名科技開發(fā)有限公 司，江蘇昆山215337） 納米技術(shù)是在20世紀(jì)80年代末逐步發(fā)展起來的前沿、交叉 性新興科學(xué)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到 原子、分子水平,標(biāo)志著人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代納米科技時(shí)代。雖然納米技術(shù)發(fā)展時(shí)間不長，但納米材 料所具有的獨(dú)特性質(zhì)，已經(jīng)在涂料工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。無 論是在高檔的工業(yè)涂料（飛機(jī)、船舶與汽車涂料），還是普通建 筑涂料與裝飾涂料（乳涂料）中，納米材料的合理使用大大提高 了涂料的耐久性、抗紫外、防霉抗菌、耐水、耐磨及耐沾污 性等。水性納米色

2、漿是通過先進(jìn)的技術(shù)、精密的設(shè)備及合理的控制 將普通顏料粒子納米化或通過納米材料與普通顏料適當(dāng)復(fù) 合達(dá)到水性化和漿料化，使其具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、 宏觀量子隧道效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等納米粒子的特殊效應(yīng)。納米超微粉碎技術(shù)用于水性色漿的制備，可使顏料分散體的 粒徑變小,粒度分布變窄，可改善色漿的著色強(qiáng)度、色光、抗 紫外（耐侯性）、透明性（鮮艷度）、抗菌防霉及狀態(tài)穩(wěn)定性等,有些色漿還具有普通顏料無法比擬的分散性。如氧化鐵紅的 超微細(xì)化（納米化）消除了由磁性吸引力而引起的絮凝現(xiàn)象，因 而易分散,有優(yōu)良的抗絮凝性。1納米材料的作用同一種納米材料由于粒徑大小不同，材料性能會(huì)有很大差異，不同納米材料在對(duì)涂

3、料改性方面也起到不同的功能。納米金 屬銀（Ag）在建筑涂料中具有長效殺菌防霉作用;納米二氧化 鈦（TiO2銳鈦型）具有光催化紫外吸收、穩(wěn)定殺菌作用；納 米碳酸鈣（CaCO3 ）具有增強(qiáng)作用；納米氧化鋅（ZnO ）具 有殺菌、耐磨、紫外吸收作用。下面介紹幾種納米材料在涂 料中的作用。1納米二氧化鈦（TiO2 ）耐老化是涂料的一項(xiàng)重要指標(biāo),通常涂膜在短期內(nèi)會(huì)發(fā)生老 化、變黃、變脆，甚至漆膜剝落損壞，其主要原因是聚合物的 化學(xué)鍵降解斷裂,包括熱降解、氧化降解、水解及生物降解所 引起。常溫下所使用的涂料漆膜的老化主要是由于光氧化降 解引起的。納米TiO2具有較強(qiáng)的紫外線吸收和散射性能,因 此,適量在涂

4、料配方中添加納米TiO2，可以有效提高涂料的 抗紫外（耐老化）性能。納米TiO2粒子在紫外光的照射下能 夠分解出自由移動(dòng)的帶負(fù)電的電子（e -）和帶正點(diǎn)的空穴 （h+ ），形成電子空穴對(duì)，該電子空穴對(duì)能與空氣中的氧和 H2O發(fā)生作用,通過一系列化學(xué)反應(yīng)，形成原子氧（O）和羥基 自由基（HO），這種原子氧和羥基自由基具有很高的化學(xué)活性，能與細(xì)菌中的有機(jī)物反應(yīng)，生成二氧化碳和水，從而達(dá)到殺滅細(xì)菌的作用。因此在涂料中添加納米TiO2，還可以賦予涂 內(nèi)墻表面,也可以把空氣、水中的有害有機(jī)毒物徹底清除，起 到清潔作用。料具有殺菌、防污、除臭、自潔功能一般用于家庭和醫(yī)院的料具有殺菌、防污、除臭、自潔功能一

5、般用于家庭和醫(yī)院的1.2納米二氧化硅（SiO2 ）納米二氧化硅是無定型白色粉末，表面存在不飽和的殘鍵及 不同鍵合狀態(tài)的羥基，其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu) 可以賦予涂料優(yōu)良的觸變性和分散穩(wěn)定性。同時(shí)，納米SiO2 具有極強(qiáng)的紫外反射能力,在涂料中能形成屏蔽作用,達(dá)到抗 紫外老化的目的，同時(shí)增加涂料的隔熱性。因此，納米SiO2是 一種良好的涂料添加劑。在涂料中加入納米二氧化硅可明 顯改善涂料的開罐效果,涂料不易分層，具有觸變性，防流掛， 施工性能良好，抗老化性能、熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度等都會(huì)有所提高。1. 3納米氧化鋅（ZnO）納米ZnO在陽光尤其在紫外線照射下，在水和空氣中能自行 分解出自由移動(dòng)的

6、電子（e -），同時(shí)帶正電荷的空穴（h+ ），這 種空穴可以激活空氣中的氧變成活性氧，活性氧具有極強(qiáng)的 化學(xué)活性，能與多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)（包括細(xì)菌內(nèi)的有機(jī) 物）,從而把大量病菌和病毒消滅。因此，將納米ZnO與其他 納米材料配合用于涂料中，可使涂層具有屏蔽紫外線、吸收紅 外光及抗菌防霉作用，既能凈化空氣,又能抗菌除臭。同時(shí)，納 米ZnO吸收紫外線能力強(qiáng)，可以作為涂料的抗老化添加劑。1.4納米碳酸鈣（CaCO3 ）碳酸鈣作為一種顏料填充劑，廣泛地應(yīng)用于各類涂料中，而且 添加量都比較大。納米碳酸鈣具有細(xì)膩、均勻、白度高、光 學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，隨著碳酸鈣的粒子微細(xì)化，填料粒子表面的 原子數(shù)目占整個(gè)總

7、原子數(shù)目的比例增大，使粒子表面的電子 結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，到了納米級(jí)水平。填料粒子會(huì)表 現(xiàn)出常規(guī)粒子所沒有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，其具有一系 列優(yōu)良的理化性能。將納米碳酸鈣添加到涂料中可增加涂料 的透明性、觸變性和流平性。同時(shí)，涂膜具有納米粒子表面效 應(yīng)，形成屏蔽作用,從而達(dá)到抗紫外老化的效果與提高涂料的 機(jī)械強(qiáng)度等多種優(yōu)點(diǎn)。5納米氧化鐵納米氧化鐵保持了氧化鐵顏料的化學(xué)組成和晶型,因而具有 很好的化學(xué)穩(wěn)定性，無毒、無味、價(jià)廉，具有很好的耐溫、耐 候、耐酸、耐堿及高彩度、高著色力、高透明度同時(shí)克服了 傳統(tǒng)氧化鐵顏料飽和度低,顏色不夠鮮艷，限制了其在高檔涂 料中的使用的缺點(diǎn)。納米粒徑的透明氧

8、化鐵具有更強(qiáng)的吸收 紫外線的能力，因此透明氧化鐵顏料不但自身光學(xué)穩(wěn)定，而且 因吸收紫外線而提高了各類高聚物的抗老化性能，廣泛應(yīng)用 于高檔工業(yè)、建筑及裝飾涂料中。2納米色漿的制備1納米色漿的主要技術(shù)關(guān)鍵如何將普通顏料納米化、水性化、漿料化或如何將納米顏料 有效分散形成均一穩(wěn)定的保持納米效應(yīng)的顏料分散體是制 備納米色漿的關(guān)鍵所在。研究表明以下幾個(gè)過程對(duì)納米色漿 制備進(jìn)行控制比較有效。2. 1. 1潤濕與分散納米色漿中顏填料粒子由于具有極其微小的粒徑，有相當(dāng)高 的表面活性,非常容易團(tuán)聚。如何將其有效的潤濕與分散，是 納米色漿必須解決的關(guān)鍵問題。納米顏料粒子的表面處理、 添加方式等，直接影響到納米色漿

9、的分散狀態(tài)。潤濕過程是使 原有的固/氣兩相（顏料/空氣或潮氣）被轉(zhuǎn)換成固/液兩相（顏料 /樹脂或高分子聚合物溶液），添加納米特效潤濕劑可以降低 界面張力，增加“鋪展張力”，從而加速潤濕過程;分散過程是如 何使?jié)櫇窈玫念伭戏稚Ⅲw穩(wěn)定，控制絮凝，選擇配伍性好的分 散劑可以長時(shí)間吸附在顏料表面，以電荷相斥和（或）空間位 阻來維持顏料分散體之間的合適空間結(jié)構(gòu)，可以有效控制顏 料分散體絮凝。有報(bào)道稱,根據(jù)納米顏料表面所帶電荷的不同 加入不同的表面活性劑,表面活性劑均勻地包裹在納米顏料 粒子表面，使納米顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，能夠極大地提高納 米顆粒在色漿體系中的分散穩(wěn)定性;另外，調(diào)節(jié)涂料體系的 pH值使之

10、與納米顆粒表面的Zeta電位相匹配,也是一種有效 提高納米顆粒分散穩(wěn)定性的方法。不僅要防止納米材料進(jìn)一 步團(tuán)聚、絮凝，還要保持納米顏料的特殊功能。穩(wěn)定性和分散 性是相輔相成的，其分散性好，也必然具有好的穩(wěn)定性。1.2研磨工藝選擇合理潤濕、分散劑是制備納米色漿的前提條件，正確的添 加比例與順序和精密的分散研磨設(shè)備是制備納米色漿良好 的保障。顏料分散體的粒度分布效果，在很大程度上又取決于 配方本身與分散研磨設(shè)備的效率。使用強(qiáng)的剪切力使納米顏 料、填料在水性體系中有效的分散,主要包括高速攪拌、球磨 分散、砂磨分散等。尤其是研磨設(shè)備，通常情況下制備納米色 漿都采用氣流粉碎（超聲波粉碎），可以使團(tuán)聚的顏

11、料粒子變 小,從而使得色漿獲得納米粒子效應(yīng)。2. 2納米色漿及特性 2. 2. 1全納米顏料漿 全納米顏料漿是采用納米顏料（如納米氧化鈦、納米氧化鐵、 納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米二氧化硅）、去離子水、特 種潤濕分散劑、其他功能添加劑和特殊工藝流程加工而成的 流體，色漿中納米顏料多數(shù)以穩(wěn)定的單分散狀態(tài)存在。在涂料 中使用時(shí)，納米粒子可均勻分散在涂料中，可以充分發(fā)揮納米 粒子的效率，比直接使用納米顏料效果有明顯改善。目前，國 內(nèi)有多家專業(yè)的廠家生產(chǎn)全納米顏料漿，主要是用于改善水 性涂料的顏色色光、強(qiáng)度、抗紫外、抗菌、疏水性及罐內(nèi)穩(wěn) 定性等方面。生產(chǎn)廠家為:巴斯夫，上虞神光，上虞正奇,昆山世 名主要以透明氧化鐵為主,蘇州中科納米、北京納米首創(chuàng)主要 以白色顏料納米漿為主。2. 2. 2納米復(fù)合顏料漿納米復(fù)合顏料漿是通過添加多種功能助劑將普通有機(jī)顏料 與納米填料（納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米二氧化硅）通過 一定比例混合有機(jī)分散在水相中，形成穩(wěn)定的流體。采用納米 填料對(duì)有機(jī)顏料粒子進(jìn)行保護(hù),可以有效改善有機(jī)顏料的抗 紫外能力，同時(shí)還可增強(qiáng)水性色漿的遮蓋力與抗菌效果。復(fù)合 過程中，具有納米粒子效應(yīng)的填料有